习近平总书记指出：

“新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导，对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响。”

材料是保障国家安全、促进高质量发展和抢占未来制高点的重要物质基础。先进耐火材料是一类物理和化学性质稳定，可用于高温氧化/还原、真空/高压、气固液侵蚀及多场耦合等极端复杂服役环境下的无机非金属材料，在钢铁、有色、建材、化工等重要基础原材料工业的发展中发挥着不可或缺的支撑作用，也是新一代信息技术、新能源、绿色环保等战略新兴产业及空天与国防领域高温新技术实施的战略保障材料。

一、先进耐火材料的特征及其战略地位

先进耐火材料本质上为多组元、多相、跨尺度(纳米-毫米)、非均质、显微结构致密或多孔的复杂材料体系，除耐高温外，还依服役环境不同需兼具有抗热冲击、抗侵蚀及高温隔热/导热/导电等特定功能。M(金属)-O-C-N-B系的氧化物、非氧化物及碳等，或为主要物相组成，或为各种功能性添加剂，构建成了不同的耐火材料体系，材料的关键服役性能、服役行为演化与其组分的本征物理化学性质如熔点、蒸气压、物相演变等密切相关。

先进耐火材料的重要特征是绿色化、功能化、智能化、长寿化，其内涵是原料绿色环保、制备智能低碳、使役高效低耗，服役不仅要求优良的力学性能，更需要特定的功能。先进耐火材料的发展对高温工业的高端化、绿色化、高效化乃至智能化发展具有重要影响，许多高温新技术的创新发展和技术经济性受限于先进耐火材料的创新。当前各产业涉及的高温新技术发展迅速，其经济安全实施亟需先进耐火材料支撑。

钢铁、有色、建材、化工等国民经济重要基础原材料产业约占全国碳排放50%，推进“双碳”战略与绿色发展任务艰巨;另外，行业长期以中低端大宗产品生产为主，转型升级压力大，其高端化、智能化、绿色化发展相关的高温技术创新与安全运行，亟需关键耐火材料突破。如钢铁工业发展高炉氢冶金、氢基竖炉直接还原铁、大型电炉炼钢等绿色高效低碳新技术，挑战现有耐火材料体系;高端轴承钢、高品质稀土钢等特种钢的研发与生产，耐火材料是关键制约因素之一。此外，高温装备极致能效、氢氨替代及绿色高效烧结等新技术，迫切需要新型结构功能化炉衬新材料。

在战略性新兴产业快速发展的背景下，关键先进耐火材料的自主突破已成为推动我国能源结构转型与战略安全保障的核心基础。例如，煤炭清洁高效利用领域，现代煤气化技术的绿色低碳发展离不开高性能耐火材料的保障;核工业领域，必须解决核燃料元件制备与高放废物安全处理用关键耐火材料依赖进口“卡脖子”难题;新能源汽车产业中，动力电池材料合成用匣钵耐火材料的性能直接关系电池质量与安全;碳化硅晶圆制造、光纤熔制等信息技术领域，亟需超纯净、高可靠性耐火材料的基础支撑;高端装备制造与重大国防工程领域，关键耐火材料的自主研发是保障国家安全的战略需求。

二、先进耐火材料的发展规律及研究特点

高温工业新技术的突破，极大地推动着先进耐火材料的发展。发展范式从“应用导向”到“理论驱动”转变。最具代表性的成果是梯度多层复合技术，基于功能分区、局部增强设计理念，协同提升了材料的抗热震性和抗侵蚀性，另外，非氧化物增强相的原位构筑技术，服役过程中生成具有特定形貌的陶瓷相，实现自修复功能，满足了长寿化需求，为高温工业的迭代升级提供了全新路径。

在研究组织形式与成果转移方面，耐火材料从“经验传承”向“创新链协同”转变。以“产学研用”深度融合为特征的创新生态系统日益完善，国际化趋势鲜明。头部企业通过设立研究院和海外研发中心;国内科研机构积极与海外知名高校、企业建立国际合作联合实验室和技术创新联盟，实现知识共享与能力协同。这种开放式创新格局，推动科技成果转化从单向线性模式向网络化协同模式转变，助力中国耐火材料从技术追随者向创新引领者跨越。

当前，与高温工业高端化、智能化与绿色化发展相关的高温新技术，使耐火材料服役环境更趋苛刻复杂，严重挑战现有耐火材料体系，亟须从真实高温工业场景出发，依靠跨学科协同创新，强化耐火材料的基础与应用基础研究，构建结构功能化、绿色化、智能化先进耐火材料理论与技术体系，系统地解决高温新技术挑战。

目前，耐火材料研究特点如下：

1. “问题驱动”研究。耐火材料研究流程通常遵循“实际应用损毁分析→损毁机理探究→新材料/新结构设计→实验室性能评估→工业试验验证”闭环。例如，针对钢包耐火材料的熔损问题，研究始于对用后材料的剖析，确定侵蚀主导因素，再反向设计抗侵蚀性能更优的材质。

2. “精细化与数智化”研究。研究视角已从宏观性能表征不断向微观、纳观乃至原子尺度延伸，开展结构-性能关联机理的深层次解析。同时，创新研发范式，通过先进的高温原位观测、多尺度计算模拟和机器学习等先进手段，创建数据+机理+AI的理性设计与研究新方法，实现性能的量化预测与精准设计，使耐火材料研究从“经验试错”向“精准设计”转型。

3. “深度学科交叉”研究。耐火材料领域本质上是材料科学、物理、化学、断裂力学、流体力学、冶金学、陶瓷学、计算科学等多学科前沿成果的深度集成，如高温物理化学揭示耐火材料与熔渣的界面反应机制，断裂力学为分析和优化耐火材料抗热震性能提供理论支撑，计算材料学与机器学习则实现耐火材料在多场耦合环境下服役行为的预测与优化。这种深层次的交叉融合，促进系统化思维解决高温复杂工程科学问题。

三、先进耐火材料的研究现状、存在问题与发展趋势

(一)先进耐火材料的国内外研究现状

当前，耐火材料领域的全球研究格局正经历深刻重塑，呈现出从粗放向极微观设计、从结构到结构功能一体化、从高能耗向绿色低碳、从经验向智能化发展的战略转型。国内外发展虽各有侧重，但共同推动着耐火材料学科与技术的前进。

国际耐火材料的发展已进入以“高性能、长寿命、功能化、绿色化与智能化”为核心特征的新阶段。耐火材料正从“消耗品”供应商向“关键功能部件”“全生命周期服务”解决方案提供者转变。以行业巨头维苏威为代表，构建了从材料设计、智能制造、数字砌筑到在线监控、精准维护及废衬拆除的全程智能化闭环，实现从提供产品到交付“服务+数据”的转变。以奥地利莱奥本矿业大学、德国弗莱贝格工业大学等为代表，研究重点聚焦于材料在极端环境下的服役行为机理、微观结构调控与性能预测。莱奥本矿业大学利用有限元及离散元等数值方法，建立从毫微米细观尺度到整体炉衬宏观尺度的材料模型，实现耐火材料制备及服役过程中热应力分布及热机械应力损毁的跨尺度研究。欧盟也通过“欧洲地平线”计划建立的ATHOR耐火材料组织，汇聚奥地利莱奥本矿业大学、法国利摩日大学等知名高校，以及奥镁集团、圣戈班集团和塔塔钢铁公司等产业领导者，构建了覆盖从耐火材料基础研究到工程应用的全链条创新体系;通过优势互补和紧密合作开发先进的测试和计算方法及模型来进行先进耐火材料设计和预测，而且还在相关科技和软件技能方面训练和培养了一批涵盖研究生和工程师的耐火材料专业人才。同时，将绿色低碳理念贯穿于耐火材料从原料到用后的全生命周期。如欧洲的科研院所正大力推动无铬耐火材料的开发、低碳制备工艺及用后耐火材料的高值化回收的系统研究，并构建完整的生命周期数据库和环境影响评估模型，为政策制定和产业标准更新提供科学依据。此外，欧洲还围绕钢铁工业绿色低碳可持续发展，聚焦降低碳排放、节能降耗、改善材料服役行为、氢冶金用耐火材料、氢能用耐火材料等方面开展了统一的规划和研究工作。

国内耐火材料学科的发展与国家重大战略需求和支柱产业的升级紧密相连，呈现出显著的“应用驱动”特色。以中钢洛耐院、武汉科技大学、北京科技大学、郑州大学、东北大学等为代表的科研机构，构成了学科发展的核心力量。他们针对我国耐火资源禀赋与分布特点，围绕高值化利用以及耐火材料的迭代转型升级，构建了中国特色耐火资源利用技术体系，开发出烧结莫来石、电熔亚白刚玉和镁橄榄石等高附加值产品;提出“三位一体”耐火材料研究新方法，为材料的设计与绿色制备提供了理论依据;在国内首创了钢铁、有色、化工等基础原材料工业用系列耐火材料，为国家重大与重点建设工程提供了所急需的关键技术和质量保障，实现了宝钢二期工程、武钢、太钢、中石化、中煤、中核、中铝等企业用系列耐火材料国产化，为钢铁、有色、化工、陶瓷等高温工业安全高效生产提供了重要支撑;国际上首次科学发现钢中氧化铝夹杂物表面荷正电的本征特性，打破了自1953年起传统电中性的理念，明晰了氧化铝-碳浸入式水口服役时荷负电现象，提出电场力是钢中夹杂物向水口壁面迁移导致结瘤的重要驱动力，发明了电场力抑制水口结瘤和去除钢中大型夹杂物等技术，提高了水口寿命和连铸生产效率，优化了夹杂物的形貌尺寸，钢中夹杂物减少30%以上，轧制过程因夹杂物引起的钢坯废次率降低50%以上;国际上率先提出液相隔离层和微孔耐蚀理论，促进了系列结构功能化、绿色化、长寿化耐火材料的创制，支撑了“手撕钢”“笔尖钢”等国家战略任务和“天和号”核心舱、“华龙一号”核电机组等国家重点工程;围绕航空发动机、火箭发射装置、军工舰船、航空航天、重型燃气轮机等领域对高温部件和材料的特殊需求，开发了系列耐高温工程材料，支撑了国家战略任务和重点工程。

我国已成为全球耐火原料和耐火材料生产、消费和出口最高的国家，在国际耐火材料领域占有重要地位。国内丰富的铝矾土、菱镁矿、鳞片石墨、耐火黏土等特色矿产资源，为耐火材料产业的可持续发展提供了长期稳定的原料保障。在Al2O3-SiO2系材料、富镁碱性材料、碳化硅基复合材料、碳复合材料等体系方面具有显著的规模优势;在热风炉用低蠕变材料、高品质特钢精炼用系列材料、连铸用低碳功能材料、石化及煤化工用高纯氧化物材料、金属冶炼用非氧化物功能材料及应用等方面技术达到国际先进或领先水平;无铬耐火材料已成功取代含铬材料应用到水泥回转窑和RH炉，用后耐火材料(包括碳复合材料、高纯氧化物、非氧化物制品等)再生利用技术逐步成熟;新型高效高温隔热材料持续创新，支撑了高温装备节能需求;低品位菱镁矿、盐湖镁资源、煤矸石、粉煤灰等资源化利用研究也取得积极进展，展现了耐火材料领域可持续发展的潜力。

(二)先进耐火材料学科与产业发展面临的系统性挑战

耐火材料是高温工业不可或缺的战略保障材料，然而其在产业链中的基础性保障地位，长期以来科技创新资源的获取、创新能力等还不足，与我国从“耐火材料制造大国”迈向“制造强国”的战略要求尚不匹配，导致其学科与产业发展面临系统性挑战，主要体现在五个方面。

1. 需提高基础研究的系统性与深度。基础理论研究相对薄弱，偏重材料和应用技术开发，需进一步提高耐火材料设计与制备，以及高温复杂环境服役时微观结构演变、损伤机理、高温物理化学新现象等科学问题研究的系统性和深度;需加强与材料基因组、多尺度模拟、数智化精准设计等的融合，推动材料研发范式的创新，提升耐火材料系统创新能力。

2. 需建立耐火材料绿色低碳技术基础体系。“双碳”战略背景下，耐火材料包括耐火原料应加快实现材料设计到制备的绿色低碳化转型，强化绿色低碳低温烧结技术、短流程制备技术研究，研发新一代免高温烧结技术体系，提升节能制备技术的稳定性和可靠性，建立涵盖原料-生产-使用-回收全生命周期的绿色评价体系。

3. 需完善高温复杂环境服役评价及标准体系。现有实验室性能评价、测试方法与高温复杂使役环境存在不同程度的脱节，制约多因素多场耦合作用下耐火材料寿命与损伤的精准预测，影响材料的使用效果和服役安全性;现有标准更新滞后，特别是针对新材料与极端工况的规范，亟需完善服役评价仪器设备、评价方法，构建更先进、全面的标准体系。

4. 需强化耐火材料研究的多学科交叉融合。耐火材料研究沿用传统方法，与计算科学、人工智能、先进制备、应用场景相关学科等的交叉融合仍停留在较浅层次，缺乏深度的机理与理论碰撞，不能满足耐火材料高温复杂苛刻应用场景的需要。

5. 需加强耐火材料领域国家级领军人才培育。与材料科学其他优势学科相比，耐火材料领域在国家级领军人才数量上存在显著差距，导致承担国家重大基础研究项目的能力较弱，源头创新和理论体系建设相对滞后。

(三)先进耐火材料的学科发展趋势

围绕国家重大战略需求与全球科技前沿，耐火材料学科内涵与外延将持续深化与拓展，推动其成为支撑未来高温技术革命的战略性基础学科。

1. 研发范式变革。突破多相、跨尺度、非均质耐火材料的低效长周期“炒菜”式研发模式，结合高通量计算和机器学习算法，实现新材料的精准设计与性能预测。同时，数字孪生、深度学习技术的应用使材料在复杂工况下的使役行为可模拟、可预测。

2. 高温新现象发现。明晰高温复杂环境下基础物理、化学原理适用性，创新发展结构功能化新型耐火材料，实现隔热-结构一体化、自增强/自修复、可控导热等复合功能。

3. 先进耐火材料创制。支撑快速发展的高温新技术用新型耐火材料创制，强化高温工业产品高端化、绿色低碳、智能化发展相关的新材料研制。

4. 制造流程再造。创新发展绿色低碳化、智能化等低碳/近零碳制造技术体系，创建耐火材料产品高一致性技术，实现制备流程绿色低碳高质化再造。

5. 低品位资源与用后耐火材料的高质高效再生利用。耐火原料资源是耐火材料产业可持续发展的根基，随着高品位资源的日趋匮乏，亟需开展低品位资源的高质高效利用研究，开展用后耐火材料的再生利用研究，聚焦关键特征指标开展基础性、原创性研究工作，促进高质量循环利用。

未来，耐火材料学科的发展，将是一个以数字化、智能化为引擎，以绿色可持续为准则，通过深度交叉融合不断拓展边界的动态过程。它要求人才培养模式、科研组织方式及学术评价体系都进行相应的变革，以培养具备多学科背景、能够驾驭这一复杂系统的创新人才，最终将该学科建设成为引领高温技术未来发展的关键国家支撑力量。

(文章刊登于《中国科技产业》杂志 202609期“院士专论”)